波浪力学第四章 小尺度结构物上的波浪力

中国海洋大学
海洋工程波浪力学
王树青
第四章 小尺度结构上的波浪力
{ 4.1 绕流力
{ 4.2 作用在直立柱体上的波浪力
z 4.2.1 Morison方程 z 4.2.2 单柱体上的波浪力 z 4.2.3 单柱体上的横向力 z 4.2.4 群柱上的波浪力 z 4.2.5 拖曳力系数、惯性力系数
{ 4.3 作用在倾斜柱体上的波浪力
圆柱体，A＝1xD，D是圆柱体的直径; CD—拖曳力系数，它集中反映了流体的粘滞性而引起 的粘滞效应，与雷诺数Re和柱面粗糙度δ有关系。
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第四章 小尺度结构物上的波浪力
{ 4.1.2 绕流横向力
Re < 5
5 ≤ Re < 40
4.1 绕流力
150 ≤ Re < 300
=
1 2
C L ρDv 0 2
cos(2πft )
f D′
=
1 2
CD′ ρDv02
cos(4πft )
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第四章 小尺度结构物上的波浪力
{ 4.1.2 绕流横向力
4.1 绕流力
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圆柱体的Strouhal数S和雷诺数Re的关系
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第四章 小尺度结构物上的波浪力
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简介
波浪力的计算按照其尺度大小的不同： (2) 而随着结构物尺度相对于波长比值的增大，例如平 台的大型基础沉垫、大型石油贮罐等，此类尺度较大的 结构物本身的存在对波浪运动有显著影响，对入射波浪 的绕射效应以及自由表面效应必须考虑。此时要采用绕 射理论(MacCamy和Fucks)计算波浪力；
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4.1 绕流力
为什么？ • 波浪对小尺度结构物的作用力是与流体绕固体流动时 所产生的绕流现象紧密相关。
• 波浪力的计算以绕流理论为基础进行分析。 • 海洋工程结构物中，经常采用细长圆柱体作为基本构 件，采用圆柱体进行分析。
• 下面先以定常水流基础，研究定常水流对圆柱体的作 用力;
大小与柱面附近边界内流体的流态和柱体沿流向的形 状有关。
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海洋工பைடு நூலகம்波浪力学
3×105 ≤ Re < 3.5×106
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第四章 小尺度结构物上的波浪力
{ 4.1.1 绕流拖曳力
4.1 绕流力
拖曳力计算公式 单位长度柱体上的拖曳力可用下式计算:
各项含义 ρ—流体的密度; A—单位长度柱体垂直于流体流动方向的投影面积；
• 再讨论非定常振荡水流对圆柱体的作用力。
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第四章 小尺度结构物上的波浪力
4.1 绕流力
{ 4.1.1 绕流拖曳力
定义：当定常均匀水流以速度v。绕过圆柱体时，沿流 动方向作用在圆柱体的力称为绕流拖曳力。
组成：绕流拖曳力一般是由摩擦拖曳力和压差拖曳力两 部分组成。
4.1 绕流力
{ 4.1.3 绕流惯性力
在非定常绕流运动中，绕流流体对圆柱体的作用除了 拖曳力外还有流体加速度引起的惯性力。
假设流体理想不可压缩，在流场中，有一排水体积为V0 的柱体固定于其中。
{ 4.1.1 绕流拖曳力
4.1 绕流力
压差拖曳力
压差拖曳力是由于边界层在圆柱体表面某点处分离， 在圆柱体后部形成很强的漩涡尾流，使得柱体后部的压 强大大低于前部的压强，就形成了柱体前后部的压力差 ,它在流动方向产生了一个力。
流体作用在柱体表面各点的法向压应力在流动方向上 的投影总和为作用在圆柱体上的压差拖曳力。
300 ≤ Re < 3×105 3×105 ≤ Re < 3.5×106
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40 ≤ Re < 150
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3.5×106 < Re
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第四章 小尺度结构物上的波浪力
{ 4.1.2 绕流横向力
4.1 绕流力
圆柱绕流问题：随着雷诺数的增大边界层首先出现分离，分离 点并不断的前移，当雷诺数大到一定程度时，会形成两列几乎 稳定的、非对称性的、交替脱落的、旋转方向相反的旋涡，并 随主流向下游运动，这就是卡门涡街。
{ 4.4 作用在海底管道上的波浪力
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OFFSHORE STRUCTURES
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简介
波浪对固定海洋结构物的作用主要是以下四种效应： •(1)由于流体的粘滞性而引起的粘滞效应； •(2)由于流体的惯性以及结构物的存在，使结构物周围 的波动场的速度发生改变而引起的附加质量效应；
•(3)由于结构物本身对入射波的绕射作用而产生的绕射 效应;
•(4)由于结构物本身的相对高度较大，结构物与自由表 面接近扰动了原波动场的自由表面而产生的自由表面效 应。
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简介
波浪力的计算按照其尺度大小的不同： (1)与入射波相比，尺度较小的结构物，例如孤立桩柱 、水下输油管道等，此类结构物的存在对波浪运动无显 著影响，波浪对结构物的作用主要为粘滞效应和附加质 量效应；
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中国海洋大学工程学院海洋工程系 王树青
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目录
{ 第一章 液体表面波基本方程 { 第二章 小振幅波（线性波）理论 { 第三章 有限振幅波（非线性波）理论 { 第四章 小尺度结构上的波浪力 { 第五章 大尺度结构上的波浪力 { 第六章 随机波浪和随机波浪力
摩擦拖曳力
是由流体的粘滞性而在柱体表面形成边界层，在边 界层范围内，流体的速度梯度很大，摩擦效应显著。
流体作用在柱体表面各点的摩擦切应力在流动方向 上的投影总和为作用在圆柱体上的摩擦拖曳力。
大小与柱面附近边界内流体的流态和柱体表面的粗 糙度有关。
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第四章 小尺度结构物上的波浪力
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第四章 小尺度结构物上的波浪力
{ 4.1.2 绕流横向力
4.1 绕流力
当流体横向流经圆柱体时，流体作用在柱体上的作用力 可以分解为与来流方向垂直的升力和与来流方向一致的 拖曳力。升力主要是由于涡旋交替自柱体脱落而使柱体 两侧压力产生脉动而造成的。
S= fD v0
fL